先进制造技术之现代特种加工技术

1、目录摘要及关键词11 引言12 什么是特种加工技术23 特种加工技术的出现24 特种加工的特点235 特种加工技术的分类及应用（以航天制造技术为例）35.1电火花加工45.2电化学加工55.3高能束加工55.4超声加工65.5化学加工65.6复合加工66 特种加工存在的问题77 特种加工技术的发展趋势77.1采用自动化技术。87.2开发新工艺方法及复合工艺。87.3 趋向精密化研究。87.4 解决污染问题87.5 进一步开拓特种加工技术。88 结束语8参考文献9谢 辞10先进制造技术之现代特种加工技术李丹（德州学院机电系，山东德州 ）摘要：现阶段，先进制造技术不断发展，作为先进制造技术中的重要

2、的一部分，特种加工对制造业的作用日益突显。对什么是特种加工、特种加工的方法、种类以及发展趋势等作了描述。阐述了特种加工在现代社会发展过程中的重要地位，大力发展特种加工的必要性。关键词：特种加工；先进制造技术；发展趋势1 引言近年来， 计算机技术、微电子技术、自动控制技术、国防军工和航空航天技术发展迅速， 与此同时， 高度、高韧性、高强度和高脆性等难切削材料的应用日益广泛， 制造精密细小、形状复杂和结构特殊工件的求也在日益增加。社会需求与技术进步的结合促使特种加工技术不断进步和快速发展。所谓特种加工， 是一种利用化学能、电能、声能、机械能以及光和热能对金属或非金属材料进行加工的方法1。其工作原理

3、不同于传统的机械切削方法， 即加工过程中工件与所用工具之间没有明显的切削力， 工具材料的硬度也可低于工件材料的硬度。特种加工技术在国内外各行各业的应用中取得了巨大成效， 作为先进制造技术中重要的一部分, 特种加工对制造业的作用日益重要，它们有着各自的特点， 特殊材料或特殊结构工件的加工工艺性发生了根本变化， 解决了传统加工方法所遇到的各种问题，已经成为现代工业领域中不可缺少的重要加工手段和关键制造技术。2 什么是特种加工技术特种加工技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能以及特殊机械能等多种能量或其复合施加在工件的被加工部位上以实现材料切除的加工方法, 从而实现材料被去除、变形、

4、改变性能或被镀覆等的非传统加工方法统称为特种加工。3 特种加工技术的出现众所周知, 传统的切削方法一般应满足两个基本条件: 一是刀具材料的硬度必须大于工件材料的硬度:二是刀具和工件都必须具有一定的刚性和强度, 以承受切削过程中不可避免的切削力。然而, 随着科学技术的飞速发展, 一些尖端科学部门和新兴工业领域的许多设备要求在高温、高压、高速及其他各种恶劣条件下工作, 因此愈来愈多地使用各种高硬难熔及具有特殊物理机械性能的材料, 有些材料的硬度已接近或超过现有刀具材料的硬度, 致使材料的可加工性急剧恶化, 使用普通刀具己无法加工。此外, 各种形状复杂、尺寸精密微小或特大、难以处理的薄壁或弹性元件等

5、特殊结构的应用亦愈来愈多, 在零件的结构工艺性上对制造加工技术提出了更加苛刻的要求, 这也是传统的加工方法难以胜任甚至根本无法实现的。对此, 人们一方面通过研究高效加工刀具和刀具材料、自动优化切削参数、提高刀具可靠性和在线刀具监控系统、开发新型切削液、研制新型自动机床等途径, 进一步改善切削状态, 提高切削加工水平; 另一方面, 则冲破传统加工方式的束缚, 不断探索和寻求新的加工方法, 于是一种本质上区别于传统加工的特种加工便应运而生, 并不断获得发展。为了解决加工难题, 国内外一直在不断开发研究特种加工的技术和方法, 并已攻克和解决了一些关键技术问题, 使特种加工相对于传统加工在制造加工工艺

6、上取得重大突破, 推动了科技进步, 同时提高了生产效率和产品质量, 在工业生产上发挥了巨大作用。4 特种加工的特点2 特种加工与一般机械切削加工相比， 有其独特的优点， 在某种场合上， 它是一般机械切削加工的补充， 扩大了机械加工的领域。它具有以下较为突出的特点。 （1） 不用机械能， 与加工对象的机械性能无关， 有些加工方法， 如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等， 是利用热能、化学能、电化学能等， 这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关， 故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。 （2） 非接触加工， 不一定需要工具， 有的虽使用

7、工具， 但与工件不接触， 因此， 工件不承受大的作用力， 工具硬度可低于工件硬度， 故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。 （3） 微细加工， 工件表面质量高， 有些特种加工， 如超声、电化学、水喷射、磨料流等， 加工余量都是微细进行， 故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝， 还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。 （4） 不存在加工中的机械应变或大面积的热应变， 可获得较低的表面粗糙度， 其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小， 尺寸稳定性好。 （5） 两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工， 其综合加工效果明显， 且便于推广使用。 （6） 特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计

8、及零件结构工艺性等产生积极的影响。5 特种加工技术的分类及应用（以航天制造技术为例） 特种加工技术所包含的范围非常广, 随着科学技术的发展, 特种加工技术的内容也不断丰富。就目前而言, 各种特种加工方法已达数十种, 其中也包含一些借助机械能切除材料, 但又不同于一般切削和磨削的加工方法, 如磨粒流加工、液体喷射流加工、磨粒喷射加工、磁磨粒加工等等。一般按能量来源和作用形式以及加工原理可分为如下形式( 见表1) 。由表1 可以看出, 除了借助于化学能或机械能的加工方法以外, 大多数常用的特种加工方法均为直接利用电能或电能所产生的特殊作用所进行的加工方法, 通常将这些方法统称为电加工。在航天技术体

9、系中，制造技术又占有极大比重，几乎涉及整个技术体系，具有无所不在的独特性质，航天工业就其行业性质来说，是属于制造业范畴的，但航天制造技术远远高于一般制造技术，日益从一般制造向高精尖先进制造技术方向发展。航天制造技术的发展水平，对航天制造业飞行器、火箭、导弹和航天器的可靠性和使用寿命的提高，综合技术性能的改善，研制和生产成本的降低，甚至总体设计思想能否得到具体实现均起着决定作用。由于特种加工技术具有常规加工技术无法比拟的优点，在难切削材料、复杂型面、精细表面的加工中已成为重要的工艺手段，许多航天现代化设备，如涡轮叶片、燃烧室的三维型腔、型孔的加工、传感器等精细表面尺寸精度达0.001m 或纳米级

10、精度，表面粗糙度0.01m 的超精加工，都采用了各种特种加工技术，这给特种加工技术发挥重要作用提供了机会。如今，在现代航天制造技术中，特种加工技术占着越来越重要的地位。5.1电火花加工电火花加工也叫放电加工, 是一种电加热加工过程。它是将工具电板和工件置于绝缘的工作液中, 工件和工具分别接直流脉冲电源正极和负极, 加上电压,因电极之间的放电效应产生火花放电, 对金属产生腐蚀来进行加工。由于电极之间工件材料的微小体积上可集中很高的能量, 足使材料熔化和蒸发, 总能量的一部分释放到工具电极上造成工具磨损加工。因此, 工具电极磨损和加工精度低是电火花加工的重要问题,也是研究工作的主攻方向3。5.1.

11、1成形加工成型加工适用于各种孔、槽模具, 还可刻字、表面强化、涂覆等; 5.1.2切割加工切割加工适用于各种冲模、粉末冶金模及工件, 各种样板、磁钢及硅钢片的冲片, 钼、钨、半导体或贵重金属。电火花成形加工技术实现数控后，在航天领域的应用得到进一步发展。近年来发动机领域中使用的带冠整体新叶轮结构，美国采用精密电火花加工工艺，俄罗斯则采用机械仿型电火花电解加工组合工艺，而我国则采用多轴联动数控电火花加工的方式，完成了该零件的加工。5.2电化学加工电化学加工是通过电化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的特种加工。5.2.1电解加工电解加工借助工具阴极，在一定电解液压力下，利用作为阳极的零件在

12、电结液的介质中发生阳极溶解的原理，对金属零件进行成行的特种加工方法。它的特点使加工效率高，无切削力；与零件的材料特性无关；能一次成形复杂型面；适合于小批量生产，适用于深孔、型孔、型腔、型面、倒角去毛刺、抛光等。最早在前苏联应用于航天火箭发动机叶片加工制造，现已广泛应用于液体火箭发动机整体涡轮转子叶片的加工。5.2.2电铸加工电铸加工适用于形状复杂、精度高的空心零件, 如波导管; 注塑用的模具、薄壁零件; 复制精密的表面轮廓; 表面粗糙度样板、反光镜、表盘等零件。5.2.3涂覆加工涂覆加工可针对表面磨损、划伤、锈蚀的零件进行涂覆以恢复规格; 对规格超差产品进行涂覆补救。对大型、复杂、小批工件表面

13、的局部镀防腐层、耐腐层, 以改善表面性能。近年来该技术已从涂覆单一金属向复合镀技术发展。复合镀使将一种或数种不溶性固体颗粒加入到液体种，经过搅拌使之均匀地悬浮于镀液中，使固体颗粒与金属离子共沉积而形成复合镀层的一种沉积技术。纳米复合镀层的研究虽处于探索阶段，已取得了可喜的研究成果，在航天发动机间的密封圈上沉积Ni-P-纳米ZrO2 复合镀层，大大提高了密封圈的工作温度和抗高温氧化性，这将促进纳米技术在航天技术中的应用。5.3高能束加工高能束加工是利用能量密度很高的激光束、电子束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称。5.3.1激光束加工激光束加工主要应用有打孔、切割、焊接、金属表面的激光强

14、化、微调和存储等。在飞机机翼上打5 万个直径为0.064mm 的小孔，可以大大减小气流对飞机的阻力，取得节油40%的良好效果。迄今为止，激光束是发动机冷却孔系加工的首先工艺；同时欧洲一些国家，利用激光对航天器机身等一些特种材料的焊接基本取代了传统的焊接工具和方法。5.3.2电子束加工电子束加工有热型和非热型2 种：（1） 热型加工是利用电子束将材料的局部加热至熔化或气化点进行加工的, 适合打孔、切割槽缝、焊接及其他深结构的微细加工; （2） 非热型加工是利用电子束的化学效应进行刻蚀、大面积薄层等微细加工等。电子束焊枪可用于航天发动机涡轮泵、活门等系统采用由薄壁膜片（最薄厚度为0.01mm）焊接

15、而成膜片组，最后焊接成的有静密封环组成以及薄壁多层波纹管与圆盘、壳体焊接组成的波纹管组件。这些组件都是发动机的关键件，结构特殊且均为薄壁件焊接，焊后尺寸要求高。普通焊接法热输入大，变形大，同时受结构的限制难以加工，而电子束焊接正好发挥了这一方面的优势，使焊接质量满足了设计技术要求。离子束加工主要应用于微细加工、溅射加工和注入加工。等离子弧加工适用于各种金属材料的切割、焊接、热处理, 还可制造高纯度氧化铝、氧化硅和工件表面强化, 还可进行等离子弧堆焊及喷涂。5.4超声加工超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中, 产生磨料的冲击、抛光、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料,

16、以及超声振动使工件相互结合的加工方法。其适用于成形加工、切割加工、焊接加工和超声清洗。该工艺在美国及其他国家的航天领域应用较为普遍，解决了精密复杂零件在实际使用中出现的低效率、低寿命、低抗疲劳强度等关键技术，主要采用的技术有超声振动磨粒流加工、磁磨粒流加工等。5.5化学加工化学加工是利用化学溶液与金属产生化学反应, 使金属腐蚀溶解, 改变工件形状、规格的加工方法。用于去除材料表层, 以减重; 有选择地加工较浅或较深的空腔及凹槽; 对板材、片材、成形零件及挤压成形零件进行锥孔加工。5.6复合加工复合加工是指同时在加工部位上组合2 种或2种以上的不同类型能量去除工件材料的特种加工。表1 常用的一些

17、加工方法的分类特种加工方法能量来源及形式作用原理英文缩写电火花加工电火花成形加工电能、热能熔化、气化EDM电火花线切割加工电能、热能熔化、气化WEDM电化学加工电解加工电化学能金属离子阳极溶解ECM(ELM)电解磨削电化学能、机械能阳极溶解、磨削EGM(ECG)电解研磨电化学能、机械能阳极溶解、研磨ECH电铸电化学能金属离子阴极沉淀EFM涂镀电化学能金属离子阴极沉淀EPM 高能束加工 激光束加工激光切割、打孔光能、热能熔化、气化LBM激光打标记光能、热能熔化、气化LBM激光处理、表面改性光能、热能熔化、相变LBT电子束加工切割、打孔、焊接电能、热能熔化、气化LBM离子束加工蚀刻、镀覆、注入电能

18、、动能原子撞击IBM等离子弧加工切割(喷镀)电能、热能熔化、气化(涂覆)PAM超声加工切割、打孔、雕刻声能、机械能磨料高频撞击USM化学加工化学铣削化学能腐蚀CHM化学抛光化学能腐蚀CHP光刻化学能光化学腐蚀PCM6 特种加工存在的问题虽然特种加工已解决了传统切削加工难以加工的许多问题， 在提高产品质量、生产效率和经济效益上显示出很大的优越性， 但目前它还存在不少亟待解决的问题。（1） 不少特种加工的机理（如超声、激光等加工） 还不十分清楚， 其工艺参数选择、加工过程的稳定性均需进一步提高。（2） 有些特种加工（如电化学加工） 加工过程中的废渣、废气若排房不当， 会产生环境污染， 影响工人健康

19、。（3） 有些特种加工（如快速成形、等离子弧加工等）的加工精度及生产率有待提高。（4） 有些特种加工（如激光加工） 所需设备投资大、使用维修费高， 亦有待进一步解决。7 特种加工技术的发展趋势4-10为进一步提高特种加工技术水平并扩大应用范围, 当前特种加工技术的总体发展趋势主要有以下几个方面:7.1采用自动化技术。充分利用计算机技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化, 加大对特种加工的基本原理、加工机理、工艺规律、加工稳定性等深入研究的力度, 建立综合工艺参数自适应控制装置、数据库等( 如超声、激光等加工) , 进而建立特种加工的CAD/CAM与FMS 系统, 使加工设备向自动化、柔

20、性化方向发展, 这是当前特种加工技术的主要发展方向。7.2开发新工艺方法及复合工艺。为适应产品的高技术性能要求与新型材料的加工要求, 需要不断开发新工艺方法, 包括微细加工和复合加工, 尤其是质量高、效率高、经济型的复合加工, 如工程陶瓷、复合材料以及聚晶金钢石等。7.3 趋向精密化研究。高新技术的发展促使高新技术产品向超精密化与小型化方向发展, 对产品零件的精度与表面粗糙度提出更严格的要求。为适应这一发展趋势, 特种加工的精密化研究已引起人们的高度重视, 因此, 大力开发用于超精加工的特种加工技术( 如等离子弧加工等) 已成为重要的发展方向。7.4 解决污染问题 污染问题是影响和限制有些特种

21、加工应用、发展的严重障碍( 如电化学加工) 。加工过程中的废渣、废气若排放不当, 会产生环境污染, 影响工人健康。必须花大力气利用废气、费液、废渣, 向“绿色”加工的方向发展。7.5 进一步开拓特种加工技术。以多种能量同时作用, 相互取长补短的复合加工技术, 如电解磨削、电火花磨削、电解放电加工、超声电火花加工等。需要不断发展。可以预见, 随着科学技术和现代工业的发展, 特种加工必将不断完善和迅速发展, 反过来又必将推动科学技术和现代工业的发展, 并发挥愈来愈重要的作用。8 结束语特种加工技术集成了机械、电子、信息、材料技术和计算机等技术, 发展异常迅速。加工尺度的微细化,加工方法的复合化和加工过程的自动化, 已成为特种加工技术研究发展的热点。可以预见, 随着科学技术的飞速发展, 特种加工必将不断完善和迅速发展, 反过来又必将推动科学技术和现代制造工业的发展, 并发挥愈来愈重要的作用。 1 孔庆华. 特种加工M